تصميم بطارية شمسية متكاملة وأكثر استدامة تعتمد على المواد المتوفرة بكثرة على الأرض

في السنوات الأخيرة، كان الباحثون يحاولون إنشاء تقنيات شمسية فعالة بشكل متزايد وتصميمات بطاريات أكثر استدامة، من بين حلول الطاقة المستدامة الناشئة البطاريات الشمسية، وهي أنظمة يمكنها تخزين الطاقة التي يتم جمعها بواسطة الخلايا الشمسية أو أنظمة الخلايا الكهروضوئية.

قدمت مجموعة بحثية في معهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة، تحت إشراف البروفيسور بيتينا لوتش، مؤخرًا تصميم بطارية شمسية متكاملة ومستدامة تعتمد على المواد المتوفرة بكثرة على الأرض. يعتمد تصميمهم، المقدم في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Energy & Environmental Science ، على صورة ضوئية لنتريد الكربون ثنائي الوظيفة (K-PHI) يمكنها امتصاص الضوء وتخزين الشحنة الكهربائية .

مستويات مختلفة من التكامل

قال أندرياس جودر، أحد الباحثين الذين أجروا الدراسة ، لـTech Xplore لا يزال مجال أبحاث البطاريات الشمسية حديثًا ومتنوعًا للغاية في المفاهيم والأفكار، بمستويات مختلفة من التكامل”، “التكامل يعني أن الوظيفتين- تحويل الطاقة الضوئية وتخزين الطاقة – مدمجتان في جهاز واحد، ويمكن القيام بذلك عبر طرق مختلفة، على سبيل المثال، عن طريق إضافة قطب كهربي ضوئي إلى بطارية، أو- كما هو الحال هنا – باستخدام مادة قطب كهربائي ثنائي الوظيفة، قد يؤثر التكامل أيضًا على نقل الشحنة “.

بشكل أساسي، عندما يتم شحن البطاريات باستخدام الضوء، يجب نقل إحدى ناقلات الشحنات الضوئية من قطب كهربائي نشط ضوئيًا إلى قطب “عداد” آخر، في معظم البطاريات الشمسية المطورة مسبقًا، والتي تعتمد على أقطاب كهربائية صلبة ، تحدث هذه العملية من خلال سلك خارجي.

تعديل نيتريد الكربون

شرع البروفيسور لوتش وجودر وزملاؤهم في إنشاء حل للبطارية حدثت فيه هذه العملية داخليًا، للقيام بذلك، قاموا بإدخال فاصل متعدد الوظائف، والذي يفصل بين قطبين داخل بطاريتهم.

وقال : “لقد ألهم تصميم جهاز إثبات المفهوم عبر هذه الآلية الجديدة الأكثر تكاملاً هذا العمل، جنبًا إلى جنب مع استخدام نترات الكربون البوليمرية ثنائية الأبعاد المتوافرة بكثرة ورخيصة الثمن (أي تعديل نيتريد الكربون” K-PHI “) كأعمدة ضوئية لأول حان وقت البطاريات الشمسية”، “تم فحص مدى ملاءمة K-PHI كأنود البطارية الشمسية لأول مرة من قبل مجموعتنا في عام 2018 وتم تسجيل براءة اختراعها لاحقًا في عام 2019.”

تتكون البطارية التي أنشأها الباحثون من قطبين (أي أنود وكاثود)، وفاصل بينهما، يتم امتصاص الضوء بواسطة الأنود المصنوع من K-PHI يتم تخزين الإلكترونات المولدة  مباشرة في K-PHI ، بينما يتم نقل الثقوب المولدة ضوئيًا إلى الكاثود المصنوع من البوليمر العضوي الموصّل.

قال جودر: “عمليا في جميع أجهزة البطاريات الشمسية المغلقة الأخرى المماثلة، يتم ذلك عبر سلك خارجي”، “هنا ، تحدث آلية النقل داخليًا، وهي فريدة ومعدلة ويتم تنفيذها بواسطة طبقة نقل ثقب، بوليمر موصل عضوي F8BT من حيث المبدأ، يمكن للمرء تشغيل هذا الجهاز كخلية شمسية عادية أو بطارية عادية (عند الاحتفاظ بها في مظلمة ومشحونة/ مفرغة بتيار كهربائي مطبق) ، لكن العديد من أوضاع المساعدة على الضوء تصبح ممكنة ، وكلها بحثنا في التفاصيل كجزء من دراستنا. ”

شحن البطارية الشمسية

قام البروفيسور لوتش، جودر وزملاؤهم بتقييم بطاريتهم الشمسية في سلسلة من الاختبارات، ووجدوا أنها حققت نتائج واعدة للغاية.

يمكن للضوء الشمسي أن يساعد في شحن البطارية الشمسية أو يساعد في عمليات الشحن والتفريغ.

وجد الباحثون، أن حلهم المطبق على عمليتي الشحن والتفريغ زاد بشكل كبير من الطاقة المستخرجة بنسبة 94.1٪ مقارنة بوقت تشغيل البطارية مثل البطاريات التقليدية في الظلام.

يمكن أن يلهم تصميم البطارية الشمسية المتكاملة الذي اقترحه هذا الفريق من الباحثين فرقًا أخرى قريبًا لإنشاء بطاريات مستدامة مماثلة استنادًا إلى فوتانودات نيتريد الكربون أو استخدام الفواصل.

وفي الوقت نفسه ، يخطط الباحثون لتحسين تقنيتهم بشكل أكبر ، لتحسين كفاءة الطاقة وتسهيل تسويقها.

وأضاف جودر: “في حين أن كفاءة الشحن الضوئي يمكن مقارنتها بأجهزة البطاريات الشمسية التي تعتمد على الأنود الضوئي، إلا أنها لا تزال وراء نظامين أكثر كلاسيكية للأجهزة (أي خلية شمسية متصلة بالبطارية)”، ” فإن التنفيذ في حديقة طاقة شمسية كلاسيكية يتطلب زيادة التيار الضوئي بشكل خاص حتى يصبح قادرًا على المنافسة مع أحدث التقنيات الخلايا الشمسية.

يبدو أن مجالات التطبيق الأخرى ممكنة أيضًا، على سبيل المثال، قد تجعل الطبيعة الشفافة للجهاز من الممكن استخدام الجهاز في الأماكن، حيث لا يمكن استخدام الخلايا الشمسية التقليدية (على سبيل المثال النوافذ)، نظرًا لأن تخزين الشحن يحدث مباشرة على الجهاز، فإنه لا يتطلب بنية تحتية لتخزين الشحن ويمكن أن يعمل بشكل لامركزي للغاية، على سبيل المثال، في مختلف الأجهزة الصغيرة”.